基于PLC的嵌入式車輛尾氣自動檢測系統(tǒng)

　　目前，實(shí)現(xiàn)對機(jī)動車排放污染進(jìn)行有效控制已成為我國環(huán)境保護(hù)一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)，需要在生產(chǎn)中對汽車尾氣污染物進(jìn)行檢測。

　　本文就一種符合EU-2標(biāo)準(zhǔn)，基于嵌入式Windows CE操作系統(tǒng)和組態(tài)王6.0組態(tài)軟件的集工況模擬、樣氣采集、樣氣分析于一體的汽車尾氣污染物智能檢測系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

　　一、系統(tǒng)綜述

　　整個系統(tǒng)由中央控制單元、底盤測功機(jī)、尾氣取樣單元、分析儀器單元以及相關(guān)輔助設(shè)備組成。首先底盤測功機(jī)模擬汽車的工況，然后尾氣取樣系統(tǒng)對樣氣進(jìn)行精確的定量采集，最后由分析儀器單元對樣氣中的污染物濃度加以定量檢測，中央控制單元實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的自動控制。其中中央控制單元采用嵌入式系統(tǒng)作為核心控制單元，系統(tǒng)操作站為運(yùn)行WIndows CE嵌入式操作系統(tǒng)和組態(tài)王6.0嵌入版組態(tài)軟件的工控機(jī)，負(fù)責(zé)發(fā)布命令給作為現(xiàn)場控制及命令執(zhí)行元件的PLC。同時工控機(jī)與遠(yuǎn)程上位PC之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

　　精簡的Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)使運(yùn)行于該操作系統(tǒng)上的嵌入版組態(tài)王6.0組態(tài)軟件的執(zhí)行效率很高，完全可以滿足設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行的需要。

　　(一)工作原理

　　圖1 汽車尾氣檢測系統(tǒng)示意圖

　　系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。打開引擎的汽車在底盤測功機(jī)上模擬各種行駛工況，其尾氣排放的污染物在鼓風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)環(huán)境空氣濾清器后進(jìn)入尾氣取樣系統(tǒng)采樣器，進(jìn)行定容稀釋取樣(CVS)。分析儀器分別從背景氣袋中、稀釋排氣氣袋取樣氣進(jìn)行分析，測量得出污染物的體積濃度。汽車尾氣中污染物的排放值由以下公式進(jìn)行計算：

　　mi="1/S"*V*di*ci/106 (i for HC、NOx、CO)

　　式中：mi一排出的污染物的質(zhì)量;S一行使距離;V一溫度為273K，大氣壓力為101.33KPa的基準(zhǔn)條件下稀釋排氣總?cè)莘e，單位：m3;di—各種污染物在溫度273K，大氣壓力101.33 KPa時的密度;dco=1.25kg/m3;dHC=0.619kg/m3;dNO2=2.05kg/m3(排氣中NOx的濃度用NO2當(dāng)量表示);ci —稀釋排氣中污染物的容積濃度，10-6。

　　(二)控制系統(tǒng)的工作過程

　　工控機(jī)通過CVS系統(tǒng)和分析單元的傳感器獲取測量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換為符合RS-485規(guī)范的數(shù)字信號，傳送給觸摸屏，觸摸屏將測量數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳送給PC機(jī)(上位機(jī))，完成數(shù)據(jù)處理工作。同時，觸摸屏根據(jù)采集信號的數(shù)值判斷目前的工作狀態(tài)，將控制指令發(fā)送給分析單元和CVS系統(tǒng)的PLC。分析單元的PLC主要完成對分析儀器進(jìn)行一系列氣路切換、量程轉(zhuǎn)換的操作，CVS系統(tǒng)PLC主要對CVS進(jìn)行流程控制，實(shí)現(xiàn)自動清洗、采樣等一系列功能?？刂浦噶罱?jīng)PLC處理后，轉(zhuǎn)換為直接的繼電器開閉信號，實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉CVS系統(tǒng)電磁閥、取樣泵的任務(wù)。另外，配電箱還為風(fēng)機(jī)提供了380V動力電的開關(guān)，可手動控制風(fēng)機(jī)的啟動與停止?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　二、系統(tǒng)硬件組成

　　為了確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，本文選用了工控領(lǐng)域中穩(wěn)定可靠的Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)作為工控機(jī)的控制核心。數(shù)據(jù)采集模塊、PLC、繼電器等元件性能穩(wěn)定，采集和控制精度高，響應(yīng)速度快。

　　(一)工控機(jī)

　　作為操作站的工控機(jī)基于嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE和嵌入式組態(tài)軟件組態(tài)王6.0(128點(diǎn))開發(fā)的客戶端應(yīng)用程序。Windows CE嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)越性在于其設(shè)備管理簡單高效，支持不同類別的設(shè)備，支持即插即用的管理模式和設(shè)備節(jié)能控制;處理系統(tǒng)的輸入輸出具有實(shí)時響應(yīng)能力。

　　組態(tài)王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)平臺，由于組態(tài)王嵌入版6.0的穩(wěn)定性較高，占用系統(tǒng)資源較小，組態(tài)軟件本身提供大量通用設(shè)備的驅(qū)動程序，開發(fā)周期短，故選用組態(tài)王嵌入版6.0作為開發(fā)工具。

　　硬件選用的是ADVANTECH-研華TPC064觸摸屏(嵌入式一體化工控機(jī))，其主要系統(tǒng)參數(shù)如下：

　　液晶顯示器尺寸：5.7"TFT;CPU主頻：ARM9266MHz;內(nèi)存：64M;CF卡：64M。

　　觸摸屏對外數(shù)據(jù)傳輸接口主要有四個RS232接口、兩個RS485接口、一個USB接口，1個10/100M網(wǎng)絡(luò)接口。

　　采用工控機(jī)的方式，可多串口輸入，處理速度快、效率高，而且觸摸屏有良好的人機(jī)對話界面，操作簡便、直觀，滿足了檢測設(shè)備實(shí)時操作和實(shí)時顯示的功能。

　　(二)PLC

　　本文選用SIMATIC S7-200系列PLC，主模塊與工控機(jī)通過RS-232串口通訊，用step7-Microwin實(shí)現(xiàn)軟件編程。PLC作為一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場設(shè)備，具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、通訊和編程方便、結(jié)構(gòu)模塊化的特點(diǎn)。

　　PLC執(zhí)行操作站發(fā)出的指令并進(jìn)行報警處理等簡單的運(yùn)算。整個系統(tǒng)中PLC控制的硬件開關(guān)量共有24個，其中分析儀器單元有5個三通電磁閥和一個取樣泵，CVS單元有7個兩通電磁閥、8個三通電磁閥和三個泵。

　　(三)傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊

　　系統(tǒng)中分析儀器單元測量濃度值經(jīng)后面板的輸出端子以模擬量輸出，CVS單元的流量計量單元測量數(shù)據(jù)由傳感器以模擬量輸出，具體的傳感器包括：

　　標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計：BYW-S-80，4 m3/min～8 m3/min，噴管直徑80mm，用于主流道恒定流量測量;

　　數(shù)字壓力變送器：BYD-8，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計前端壓力測量，輸出信號4 mA～20mA DC，24V;

　　電容式壓差變送器：1151DP3E22M183，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計前端、后端壓力差測量，輸出信號4-20mA DC，24V;

　　防爆型數(shù)字溫度變送器：BWD-8，標(biāo)準(zhǔn)長徑噴嘴流量計后端溫度測量，輸出信號4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃;

　　壓力變送器：CS20FUCIIIERC3Lm(3)A，用于控制樣氣取樣袋壓力并保護(hù)之，輸出信號4 mA ～20mA DC，供電范圍15 V ～28VDC。

　　數(shù)據(jù)采集模塊：研華16通道A/D PCL-818數(shù)據(jù)采集卡。

　　(四)通訊模塊

　　系統(tǒng)通訊方式分為兩種：串口通訊和TCP/IP協(xié)議通訊。PLC和數(shù)據(jù)采集模塊與工控機(jī)之間為串口通訊;工控機(jī)與PC機(jī)之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。硬件參數(shù)如下：工控機(jī)網(wǎng)卡：1個10/100M網(wǎng)絡(luò)接口;PC機(jī)網(wǎng)卡-TP-LINK，100M。